物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 電源設(shè)計(jì)始終是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備大多部署在偏遠(yuǎn)地區(qū)，頻繁更換電池并不總是可行的。設(shè)計(jì)人員必須找到替代方法來為它們提供便攜式電源。最小化功耗通常是圣杯；然而，它是通過權(quán)衡特性、連接性、范圍，甚至內(nèi)置的安全功能（例如密碼學(xué)）來實(shí)現(xiàn)的。

盡管有低功耗連接選項(xiàng)（如 LoRa、LPWAN）、節(jié)能電路和電池設(shè)計(jì)改進(jìn)，但大多數(shù)設(shè)備都超過了電池壽命。如果物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以動(dòng)態(tài)發(fā)電而不是僅僅依賴靜態(tài)電源會怎么樣？能量收集是即將實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一個(gè)有前途的選擇。

探索物聯(lián)網(wǎng)的能量收集

部署在遠(yuǎn)程位置的物聯(lián)網(wǎng)傳感器和設(shè)備的數(shù)量可以輕松擴(kuò)展到數(shù)千個(gè)。頻繁上門更換電池不僅會影響利潤率和投資回報(bào)率曲線，而且還會面臨丟失數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)。

從周圍環(huán)境中吸取能量的能力在物聯(lián)網(wǎng)用例中受到高度重視。從陽光、運(yùn)動(dòng)、環(huán)境射頻、熱、風(fēng)、振動(dòng)等環(huán)境資源中收集能量并不是一個(gè)全新的概念。但是，對需要最少甚至不需要維護(hù)的節(jié)能、安全和耐用系統(tǒng)的需求不斷增長，這推動(dòng)了它的需求。

根據(jù) IDTechEx 研究，能量收集市場規(guī)模將從 2017 年的 4 億美元增長到 2024 年的 26 億美元。物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的日益普及與這些預(yù)測有關(guān)。

能量收集涉及換能器，將環(huán)境能源的能量轉(zhuǎn)換為電能，為電子設(shè)備供電。根據(jù)能源的不同，換能器技術(shù)可以是壓電、熱電、電磁、光伏、射頻等。

目前，光伏電池通常用于通過將太陽能轉(zhuǎn)化為電能來為玩具、小工具甚至家用電器供電。在 RFID 的情況下，直接針對傳感器的強(qiáng)本地信號會得到糾正。Powercast 的P2110 RF Powerharvester是另一個(gè)將低頻 RF 信號轉(zhuǎn)換為直流電（5.25V，高達(dá) 50mA）的例子。P2110 可用于設(shè)計(jì)無需電池的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)可以在智能電網(wǎng)、樓宇自動(dòng)化、軍事、農(nóng)業(yè)等各種工業(yè)應(yīng)用中以極低的射頻輸入 (-11.5dBm) 運(yùn)行。

物聯(lián)網(wǎng)能量收集的前景和挑戰(zhàn)

能量收集的最大希望是延長物聯(lián)網(wǎng)電池壽命（如果不能完全省電的話）。在過去十年中，收集能量的技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。然而，安裝和集成的成本和復(fù)雜性障礙仍然存在，必須仔細(xì)考慮。與整體物聯(lián)網(wǎng)解決方案相比，它應(yīng)該是合理的。

另一個(gè)考慮因素是機(jī)器對機(jī)器 (M2M) 通信中功率使用的差異。例如，農(nóng)業(yè)傳感器可能會在一天中的不同時(shí)段突發(fā)性地發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。除此之外，它大多處于閑置狀態(tài)，消耗的電量很少。發(fā)送突發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，功耗會激增。能量采集器需要在峰值負(fù)載電流（安培）和工作電壓要求（伏特）方面處理 M2M 能量突發(fā)要求。

物聯(lián)網(wǎng)成功案例的能量收集

盡管物聯(lián)網(wǎng)能量收集技術(shù)仍在世界各地的實(shí)驗(yàn)室中孵化，但已經(jīng)有一些令人鼓舞的成功案例。

Rectenna：麻省理工學(xué)院研究人員收集的 Wi-Fi 能量

Rectenna 是一種使用柔性天線捕獲交流電磁波（包括無處不在的 Wi-Fi 信號）并將其轉(zhuǎn)換為直流電的設(shè)備。天線連接到一個(gè)只有幾個(gè)原子厚度的二維半導(dǎo)體。當(dāng)交流信號進(jìn)入半導(dǎo)體時(shí)，會產(chǎn)生直流電壓，可用于為電子電路、PMIC 供電或?yàn)殡姵爻潆姟?/p>

當(dāng)暴露于典型的 Wi-Fi 功率水平（大約 150μW [微瓦]）時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)期間，整流天線產(chǎn)生大約 40μW。轉(zhuǎn)換率相當(dāng)好，功率足以驅(qū)動(dòng)硅芯片組或點(diǎn)亮 LED。

太陽風(fēng)混合收獲平臺

位于北京的國家納米科學(xué)技術(shù)中心 (NCNT) 的科學(xué)家們能夠設(shè)計(jì)一個(gè)平臺來收集太陽能和風(fēng)能（圖 1）。它將摩擦納米發(fā)電機(jī)（將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能）與高效太陽能電池集成在一起。該組件經(jīng)測試可在太陽能側(cè)產(chǎn)生 8mW 的功率，在風(fēng)力收集器側(cè)產(chǎn)生高達(dá) 26mW 的功率，這意味著 120mm × 22mm × 2mm 平臺的高功率密度。

這種混合納米發(fā)電機(jī)主要設(shè)計(jì)為智能城市的可再生能源。但是，它也可以為嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電。

圖 1：混合太陽能和風(fēng)能收集電池的圖示。（來源：NCNT）

射頻能量收集器

E-peas 的 AEM40904是一款微型 (5mm × 5mm) PMIC，可從環(huán)境射頻源中提取交流電。升壓轉(zhuǎn)換器具有 94% 的效率，支持極低功耗啟動(dòng) (380mV/3μW) 和低 RF 輸入功率電平（?18.5dBm 至 10dBm）。

收集的能量可以同時(shí)為各種物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)供電，并將多余的能量存儲在可充電電池和電容器中。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以在可穿戴設(shè)備、家庭自動(dòng)化、工業(yè)監(jiān)控等無線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中探索此功能，以延長電池壽命。

最后的想法

能量收集系統(tǒng) (EHS)正在推動(dòng)收集能量和電池存儲之間的融合，而不一定是替代品。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮 EHS 時(shí)，成本與價(jià)值是一個(gè)主要考慮因素。隨著 EHS 模塊的成熟，成本高昂的組件有望下滑。權(quán)衡用例要求也很重要，例如，工廠設(shè)備的電源管理與農(nóng)業(yè)傳感器有很大不同。

一些 EHS 專家將光伏、環(huán)境射頻和振動(dòng)視為“三大”收集選項(xiàng)，因?yàn)樗鼈兊某杀鞠鄬^低且易于安裝。

電子設(shè)計(jì)應(yīng)繼續(xù)關(guān)注低功耗。設(shè)計(jì)人員可以選擇能量收集來滿足特定物聯(lián)網(wǎng)用例的需求。當(dāng)功率不是限制時(shí)，可以提供許多有吸引力的特性和安全功能。

Sravani Bhattacharjee 擔(dān)任數(shù)據(jù)通信技術(shù)專家已有 20 多年。她是《實(shí)用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全》一書的作者，這是第一本關(guān)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全的書籍。直到 2014 年，作為思科的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，Sravani 領(lǐng)導(dǎo)了多個(gè)企業(yè)云/數(shù)據(jù)中心解決方案的架構(gòu)規(guī)劃和產(chǎn)品路線圖。作為 Irecamedia.com 的負(fù)責(zé)人，Sravani 目前與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新者合作，通過制作各種編輯和技術(shù)營銷內(nèi)容來推動(dòng)意識和業(yè)務(wù)決策。Sravani 擁有電子工程碩士學(xué)位。她是 IEEE 物聯(lián)網(wǎng)分會的成員、作家和演講者。

審核編輯黃宇